祝大同

（中電材協(xié)覆銅板材料分會，陜西 咸陽 712099）

1 引言

電子銅箔產(chǎn)品按其性能水平劃分，可分為一般常規(guī)型與高端型兩大類。高端型銅箔，具有應(yīng)用條件要求苛刻或特殊，制造水平高端的特點，應(yīng)用在高端印制電路板（PCB）制造領(lǐng)域，所制PCB多在高端的電子產(chǎn)品或終端產(chǎn)品中應(yīng)用。

高端型銅箔主要品種包括：高頻高速電子電路用極低輪廓銅箔；IC封裝基板及高端HDI（高密互連）板用極薄銅箔；高端撓性PCB的專用銅箔（含：電解銅箔、壓延銅箔等）；大電流、大功率基板用厚銅箔（箔厚≥105 μm）；鋰電池用極薄/高抗力性銅箔；特殊功能銅箔（如埋容、埋阻電路用銅箔）等。當(dāng)前及未來，在全球電子銅箔業(yè)界的技術(shù)進步、新品開發(fā)、滿足新型電子產(chǎn)品配套的電子銅箔主要是以上所列的六大類高端電子銅箔[1][2]。

一個新時代的技術(shù)發(fā)展，需要一代新的材料作為支撐。近年，5G通信技術(shù)、人工智能應(yīng)用技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。驅(qū)動了PCB制造技術(shù)，正朝著高速高頻化、高耐熱化、高導(dǎo)熱化、高密度布線化、模塊化等方向快速發(fā)展。作為高端PCB主要使用的導(dǎo)電材料——高端銅箔，也隨著應(yīng)用市場的擴展、升級，它在品種個性化、細(xì)分上有所變化；在性能上也在不斷地提升，朝著高端化方向發(fā)展[3]。

在上述所列的六大類高端電子銅箔，是當(dāng)前的高端PCB市場需求熱點，以及技術(shù)水平快速發(fā)展的品種。更主要集中在高頻高速電子電路用極低輪廓銅箔和IC封裝基板及高端HDI 板用極薄銅箔這兩大類產(chǎn)品方面。本文主要重點討論這兩大類高端銅箔的市場對細(xì)分品種、產(chǎn)品性能需求，以及技術(shù)開發(fā)新進展。

2 極低輪廓電解銅箔的市場與實現(xiàn)關(guān)鍵性能的提高

2.1 電子電路用低輪廓電解銅箔的三大類別八個品種

業(yè)界中，目前把電子電路用低輪廓電解銅箔按照表面粗糙度（Rz）的大小劃分為三大類別、八個品種。三大類別是VLP型銅箔（超低輪廓銅箔）、RTF型銅箔（低輪廓反轉(zhuǎn)銅箔），以及HVLP型銅箔（極低輪廓銅箔）。八個品種是較低輪廓銅箔與在低輪廓反轉(zhuǎn)銅箔品種中三個世代的RTF品種，以及在極低輪廓銅箔品種中現(xiàn)已發(fā)展到四個世代的HVLP品種。詳見表1[3]所示。

表1 低輪廓電解銅箔品種及Rz等級（各類的世代產(chǎn)品）表

2.2 五大應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Φ洼喞娊忏~箔關(guān)鍵性能需求重點的差異性

從整個低輪廓度銅箔市場需求來講，隨著低輪廓及極低輪廓電解銅箔的應(yīng)用市場，以及各市場領(lǐng)域?qū)O低輪廓電解銅箔性能要求側(cè)重面的差異，這類高端銅箔的性能向著客制化、個性化方向發(fā)展。針對五大應(yīng)用領(lǐng)域，低輪廓度銅箔在性能項目及其技術(shù)指標(biāo)上，都有所差異化。這五大應(yīng)用領(lǐng)域分別如下。

（1）剛性射頻/微波電路用低輪廓電解銅箔；主要應(yīng)用于高檔的射頻-微波電路基板，如毫米波車載雷達用基板等。

（2）高速數(shù)字電路用低輪廓電解銅箔，它的市場絕大多數(shù)定位在頻率一般在厘米波（3 GHz～30 GHz）電路基板范圍，應(yīng)用終端是高中端服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心等。

（3）撓性PCB用低輪廓電解銅箔。撓性PCB用的這類，還要求銅箔具有高的抗拉強度，較高的延伸率及薄型化。蝕刻后基膜優(yōu)異透明性，也是此銅箔市場的重要需求項目。

（4）高頻高速模塊基板用低輪廓電解銅箔，它除了有低輪廓度要求，還需要有銅箔的高抗拉強度性、高熱穩(wěn)定性、高彈性模量、高剝離強度要求。

（5）大電流厚銅PCB用低輪廓電解銅箔，厚銅PCB的微細(xì)線路制造技術(shù)也要求所采用的超厚銅箔也兼?zhèn)涞洼喞忍匦?。例如，三井金屬RTF型低輪廓厚銅箔：MLS-G（Ⅱ型），Rz＝2.5 μm（產(chǎn)品典型值）。

高頻高速剛性PCB用HVLP型的四個世代的極低輪廓電解銅箔，其中HVLP2型、HVLP3型極低輪廓電解銅箔，更是當(dāng)前市場需求HVLP類型中的“重中之重”熱門品種。它們的應(yīng)用市場，是甚低損耗（Very Low Loss）、超低損耗（Ultra LowLoss）等級的覆銅板以及對應(yīng)的多層板制造中應(yīng)用。即對信號完整性（SI）有更高要求的射頻-微波基板，高速數(shù)字信號基板，以及高頻特性的模塊基板。

HVLP2型、HVLP3型極低輪廓電解銅箔關(guān)鍵性能，主要為兩大項目，即極低且均勻一致的表面低粗糙度，以及高穩(wěn)定的銅箔剝離強度。由于銅箔表面近似平滑狀極低粗糙度，還要兼顧高剝離強度性，這給研究者帶來技術(shù)上極大挑戰(zhàn)。

2.3 對解決極低輪廓電解銅箔最低粗糙度與更高剝離強度難題的討論

回顧近十年來全球電解銅箔業(yè)界的HVLP類型極低輪廓電解銅箔研發(fā)歷程，處在同時解決“極低的銅箔表面輪廓度+高的銅箔剝離強度”難題中。因此，近年來，追求低輪廓電解銅箔（包括了低輪廓壓延銅箔）最低的粗度與最高的剝離強度，這是各銅箔廠家開發(fā)高頻基板用電子銅箔的重要課題。如何解決此方面難題？筆者對綜合臺灣銅箔專家對此方面的深入討論文獻[4]的研讀后，作了要點的整理歸納。

2.3.1 從“彈性定理”得到了解決難題的技術(shù)思路

從圖1中的彈性定理，可從理論上更深入了解影響銅箔剝離強度的主要因素。

圖1 影響剝離強度的主要因素關(guān)系的彈性定理圖

中國臺灣銅箔專家在該文獻[4]中，對圖1所示彈性定理中涉及的六個影響銅箔剝離強度，作了如下的討論。

從彈性定理（Elastic theory）可知，影響剝離強度的主要因素：變形樹脂的厚度（Yo，Thickness of the deformed resin）、樹脂的抗拉強度（σN，Tensile strength of the resin）、銅箔總厚度（δ，F(xiàn)oil thickness）、銅的楊氏模量（E，The ratio of the copper modulus）、樹脂的楊氏模量（Y，The ratio of the resin modulus）等。由圖1中公式可知，提高楊氏模量（E）、銅箔厚度(δ)、變形樹脂厚度（y），剝離強度就會得到提高。銅的楊氏模量（E）是由原箔微結(jié)構(gòu)所控制的。假設(shè)銅箔總厚度（δ）是固定的，那么調(diào)整生箔（原箔）厚度和小瘤尺寸。生箔厚度占總的銅箔厚度之比的改變，會使有效厚度（原箔厚度）得以改變。改動小瘤的大小、改動阻隔層和硅烷抗氧化層，就可以起到增加變形樹脂厚度的效果，達到提高剝離強度的目的。并且沒有增加銅箔表面粗糙度。

以上的專家這段闡述，筆者得到兩點啟發(fā)，具體如下。

（1）提高整個銅箔層，即包括瘤化層與生箔（原箔）的楊氏模量，對銅箔的剝離強度有利，而銅箔表面的瘤化粒子的尺寸越?。龌Ｗ拥停~箔表面輪廓度低），銅箔就越有提高楊氏模量的可能。

（2）樹脂在銅箔表面上“占據(jù)”的空間越大，越變形樹脂厚度就越大。變形樹脂厚度的增加，會帶來剝離強度提高的效果。這就給通過改善銅箔表面的偶聯(lián)劑處理層，來提高銅箔剝離強度，找到了其中一個理論依據(jù)。

2.3.2 提出了解決此難題的四方面切入點

（1）從光面（S面）上，改變生箔（原箔）的表面實現(xiàn)生成小瘤入手。即改善成核密度、根瘤大小、數(shù)量和形狀，從而可提高瘤化處理后整體銅箔表面粗糙度低、剝離強度高的問題。

（2）研究銅表面構(gòu)形對影響電性能的特性。即建立模型，由粗糙度與銅瘤堆疊來推算電性能的特性。

（3）采用銅箔表面涂覆底膠，以提高剝離強度。文章中提及了三井金屬銅箔株式會社出臺的運用底膠的新品（NP-VSP）例。

（4）采用銅箔制造中的納米錨工藝手段，以提高剝離強度。注意這里提及的納米錨（nano anchor）稱謂瘤化粒子“錨”的概念，是否就是這位臺灣銅箔專家在文中提及的制造生箔中其表面（指在電解機陰極輥表面相接觸的箔表面）所產(chǎn)生的“根瘤” 與“納米錨”指的是同一產(chǎn)物。

2.4 提高極低輪廓電解銅箔關(guān)鍵性能四方面工藝技術(shù)路線的研究進展

近年業(yè)界在同時解決“極低的銅箔表面輪廓度+高的銅箔剝離強度”難題中，筆者主要歸納為可采取的四方面工藝技術(shù)路線。這四方面工藝技術(shù)路線，近年不斷取得技術(shù)與應(yīng)用的新進展、新成果。

2.4.1 在銅箔層壓面再進行薄層涂敷底膠（膠層厚度在10 μm）[1]

2000年底，盧森堡電路銅箔公司在業(yè)界中率先在此方面作了研發(fā)，并發(fā)表了這項工作的研發(fā)成果，但并未有產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的問世。直到20世紀(jì)10年代中期，三井金屬銅箔公司研發(fā)出采用涂底膠的平滑銅箔（NP-VSP）產(chǎn)品，做過“新品”宣傳。

Rogers公司于2018年3月首次公布的“CU4000 LoPro?銅箔”，它可作為一種高頻電路基板用銅箔商品。它為多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計者提供的片狀銅箔選擇，這種銅箔與RO4000產(chǎn)品一同使用時，還具有優(yōu)良的外層銅箔結(jié)合力（引自羅杰斯此產(chǎn)品說明書）。CU4000 LoPro銅箔為反轉(zhuǎn)型電解銅箔（RTF），屬IPC-4562標(biāo)準(zhǔn)中的3級型(高溫延伸銅箔)。在它的光面（S面）作了表面處理后，又涂敷了厚度約8.89 μm（0.35 mil）的薄膠層。

2018年，三井金屬銅箔公司也推出新品——FSP-501極薄、超低輪廓帶載體型電解銅箔。它的銅箔厚度為1.5 μm～3.0 μm，Rz為1.4 μm，銅箔層壓面敷有薄膠層，起到提高超低輪廓銅箔剝離強度的作用。它與FR-4基材的銅箔剝離強度可達到1.2 kg/cm[1]。當(dāng)Rogers公司、三井金屬銅箔公司的涂敷底膠型產(chǎn)業(yè)化問世三年后，筆者注意到：我國一家通信設(shè)備大廠對銅箔表面進行涂敷底膠薄層處理的工藝路線研制的極低輪廓銅箔（見圖2所示）電氣性能的保證提出了異議。這篇報告提出：由于趨膚效應(yīng)的影響，我們關(guān)注銅箔的粗糙度，同時也關(guān)注銅箔與基材結(jié)合力。覆膠銅箔雖然有助于增加剝離強度，但對電氣性能損失極大[5]。

圖2 涂敷底膠薄層處理的極低輪廓銅箔剖面

2.4.2 在銅箔表面處理面上采取形成納米錨的亞微米瘤化處理

20世紀(jì)10年代中期，三井金屬銅箔公司研發(fā)出形成納米錨（nano anchor）工藝手段，它在極低輪廓銅箔的剝離強度提高方面，起到良好效果。當(dāng)時在高頻高速基板中得到小批量的應(yīng)用[1][4]。

日本福田金屬箔粉工業(yè)株式會社在2019年間推出的CF-T4X-SV極低粗糙度銅箔，是一種剛性PCB及FPC均可兼用的HVLP3等級的高頻高速電路用銅箔[6]。此產(chǎn)品牌號中的“SV”代表該產(chǎn)品采用了獨創(chuàng)的形成毛箔的SV工藝技術(shù)，使得毛箔兩面都具有超低粗糙度（即中國國內(nèi)對鋰電箔產(chǎn)品俗稱的“兩面光”）。牌號中的“T4X”代表該產(chǎn)品采用了獨創(chuàng)的微細(xì)粗化處理技術(shù)。它具有超低粗糙度，即CF-T4X-SV的有Rz：1.4 μm（6 μm箔）、1.1 μm（9 μm/12 μm箔）、1.0 μm（9 μm箔）。因粗化面處理后形成了瘤化粒子形態(tài)非常特別——“細(xì)而長”，使得它的表面既粗糙度超低，比表面積大，又帶來了“高錨栓”效果，這樣就帶來了較高的銅箔剝離強度性（剝離強度：9 μm箔：0.55 kN/m；18 μm箔：0.80 kN/m）。這種形成“細(xì)而長”的超微細(xì)表面形狀的“T4X”后處理技術(shù)，它還克服了應(yīng)用加工中產(chǎn)生“落粉”的問題，即它的微細(xì)瘤化粒子具有高固著性[7]。它所顯示的高水平研發(fā)成果，是與開發(fā)成功的“兩面光”毛箔SV工藝技術(shù)，密切相關(guān)的。近年有項集中了多家低輪廓銅箔產(chǎn)品進行插損測試對比研究，其所得結(jié)果表明：福田金屬運用了SV工藝技術(shù)制造的其他牌號的低輪廓銅箔品種，也是在高頻條件下插損測試結(jié)果表現(xiàn)較佳，且在13 GHz～20 GHz插損值之差表現(xiàn)最佳[8]。福田金屬的開發(fā)成果就是從毛箔實現(xiàn)生成小瘤入手，即改善成核密度、根瘤大小、數(shù)量和形狀的成功案例[4]。

在推進微細(xì)瘤化工藝處理技術(shù)進展方面，近年除了三井金屬、福田金屬外，還有古河電工株式會社、南亞膠塑股份有限公司、金居技術(shù)股份有限公司（Co-Tech）等銅箔企業(yè)，在近年取得的極低輪廓銅箔研制成果中。海外的一份對臺、日三家同一低輪廓度檔次銅箔的對比試驗報告的結(jié)果表明：Rz都在≤2.5 μm的RTF電解銅箔，由于它在表面瘤化處理的晶粒構(gòu)型及形貌差異，造成了堆疊及分布狀態(tài)、晶粒分布的均勻程度、非壓合面粗糙度等方面的差異，而這種差異會引起它制成的基板材料的插損值大小的差異。有研究發(fā)現(xiàn)[9]，區(qū)分、表征表面瘤化處理的晶粒構(gòu)型及形貌差異的手段，可采用測試表面的Rq（均方根粗糙度，檢測銅箔Rq一般采用Line Roughness ISO 4287）。這項研究表明：盡管同一低輪廓度銅箔的Rz值較為接近，但它的Rq卻相差較大，造成在不同頻率下測試的插入損耗值出現(xiàn)差異如圖3所示。

圖3 三種同一Rz檔次RTF銅箔在Rq、插損的對比

在2021年底召開的我國覆銅板技術(shù)交流會上，來自一家國內(nèi)著名的終端產(chǎn)品大型企業(yè)的報告，向與會代表展示了某海外企業(yè)推出的瘤化粒子構(gòu)形特殊的極低輪廓電解銅箔新品（銅箔表面及剖面見圖4所示）[10]。它是采用亞微米粒子瘤化及無瘤化鍍層形成技術(shù)，解決了“極低的銅箔表面輪廓度+高的銅箔剝離強度”的難題。而從報告中給出的微觀表面及剖面瘤化粒子構(gòu)形觀察，表現(xiàn)出瘤化粒子“細(xì)而長”的有利于提高剝離強度的構(gòu)形鮮明特點，其剖面粒子的H：439.2 nm；V：167.5 nm。

圖4 極低輪廓度銅箔表面及剖面瘤化粒子構(gòu)形圖

2.4.3 在銅箔處理面表面進行化學(xué)處理

松下株式會社在2018年1月向業(yè)界推出針對毫米波雷達、5G基站等天線市場的無鹵化超低傳送損失覆銅板R-5515。松下在2019年12月召開的研討會上，做了題為“應(yīng)對高速-高頻的低介電特性基板材料的最新發(fā)展”的報告[11][12]。報告中提出：應(yīng)對所開發(fā)的這個高頻天線基板材料（R-5515）性能確保的需求，松下采用的三個重要原材料應(yīng)用技術(shù)的推進與支撐。其中，包括自行開發(fā)出超低輪廓銅箔壓合面的表面處理新技術(shù)（稱為“CuTAP”），從而獲得高頻下導(dǎo)體方面的低傳輸損失，并兼顧良好的銅箔剝離強度性。實施這項新技術(shù)，使得銅箔表面上納米級晶粒構(gòu)成微小凹凸?fàn)?，擴大了比表面，使得樹脂與銅箔的黏接強度得到提高。進而保護膜的加入，基板的耐熱性也得到提高，并且確保了在250 ℃下銅箔光滑面的抗氧化性的良好。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（簡稱“產(chǎn)綜研”）先進涂層技術(shù)研究中心，2019年3月公布了通過紫外光在銅箔表面形成化學(xué)交聯(lián)的聚合物涂層新成果[13]。該技術(shù)是利用紫外光反應(yīng)的表面化學(xué)修飾技術(shù)將構(gòu)成銅箔積層基板的聚酯膜表面氧氣官能基化，通過熱壓與銅箔相接，得到表面化高強度的接合強度，可以接合不同種類的基板材料。

2.4.4 在銅箔與樹脂的界面間運用偶聯(lián)技術(shù)、偶聯(lián)劑復(fù)配技術(shù)

近年，國內(nèi)外銅箔企業(yè)在解決兼顧良好的極低輪廓性、銅箔剝離強度性方面，通過偶聯(lián)劑及偶聯(lián)劑復(fù)配技術(shù)進行對銅箔表面的處理，取得不少的研究成果。在近期發(fā)表的來自大型終端產(chǎn)品企業(yè)的報告中[10]，論及解決“極低的銅箔表面輪廓度+高的銅箔剝離強度”難題時，對 “亞微米瘤化及無瘤化鍍層技術(shù)”和“低粗糙度界面偶聯(lián)技術(shù)、偶聯(lián)劑復(fù)配”，這 兩個工藝技術(shù)路線的成果的應(yīng)用前景，加以更多的肯定。該報告人在另一份報告中[14]，通過實驗數(shù)據(jù)說明了銅箔與基材樹脂之間的界面，經(jīng)過偶聯(lián)劑改性后它們與樹脂耐熱結(jié)合力，比未做偶聯(lián)劑改性的基材有所提高（見圖5所示）。這也說明，采用偶聯(lián)劑處理工藝路線，是對提高極低輪廓銅箔的剝離強度，可以發(fā)揮輔助提高的效果。

圖5 銅箔經(jīng)偶聯(lián)劑改性后與樹脂耐熱結(jié)合力對比圖

2.5 PCB業(yè)界對未來幾年提高低輪廓銅箔性能水平的需求

未來幾年，從PCB業(yè)界對提高低輪廓銅箔性能水平的需求，我們以下例可有所了解與展望。

2021年7月，中國臺灣的工業(yè)研究院/產(chǎn)科國際研究所與中國臺灣電路板協(xié)會（TPCA），編制出臺了“2021中國臺灣PCB高階技術(shù)盤點調(diào)查報告”。此報告中詳盡提出了，四大應(yīng)用領(lǐng)域未來對高階PCB用低輪廓銅箔性能水平的需求[15][16]。

該報告中四大類應(yīng)用領(lǐng)域分別為：（1）高性能計算（HPC：High Performance Computing）設(shè)備群，含計算中心、AI運算、服務(wù)器、應(yīng)用處理器、高階筆記本電腦等；（2）超5G的終端應(yīng)用產(chǎn)品（簡稱B5G-Edge，B5G的終端應(yīng)用），含智能手機、汽車電子、AR（增強現(xiàn)實）/VR（虛擬現(xiàn)實）、穿戴式裝置等等；（3）超5G的基礎(chǔ)設(shè)施（簡稱B5G-Infrastructure，B5G的基礎(chǔ)設(shè)施），含B5G的基地臺、地面基站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等；（4）大功率裝置（簡稱High Power，高功率設(shè)施），含車用電源系統(tǒng)、充電站等裝置。此調(diào)查報告公布顯示，這四類高階PCB終端市場應(yīng)用領(lǐng)域未來對高頻高速基板用電解銅箔的性能需求的預(yù)測情況，見表2[15][16]所示。

表2中：HPC：高效能運算；B5G-Edge：B5G之終端應(yīng)用；B5G-Infrastructure：B5G的基礎(chǔ)設(shè)施；High Power：高功率設(shè)施。根據(jù)2021中國臺灣PCB高階技術(shù)盤點調(diào)查報告內(nèi)容整理。

筆者對表2所示的中國臺灣高階PCB用電解銅箔的技術(shù)發(fā)展藍圖內(nèi)容，領(lǐng)會其要點如下。

表2 未來五年銅箔技術(shù)發(fā)展藍圖表

（1）提高高頻高速電路用低輪廓度銅箔品種的性能，提到了中國臺灣PCB全行業(yè)對所用銅箔性能提高的“首位”需求。為了實現(xiàn)高階PCB產(chǎn)品的高頻高速與信號完整性的產(chǎn)品需求，四個高階終端領(lǐng)域中的各類高階PCB產(chǎn)品，未來都對電解銅箔表面粗糙度（Rz）有更為嚴(yán)格的要求。到2025年銅箔的Rz≤1.5 μm已成為普遍的需求，此Rz檔次的低輪廓度銅箔品種（即HVLP2、HVLP3等），未來幾年將成為高階HLC（高多層PCB）、HDI、FPC的應(yīng)用主流低輪廓度銅箔品種。

（2）各類高階PCB應(yīng)用高頻高速性樹脂基材與低輪廓銅箔，當(dāng)前與未來還遇到確保與提高銅箔剝離強度的問題。表2中反映了：不同PCB產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的品種，對銅箔剝離強度指標(biāo)需求趨勢有截然的不同：四大高階應(yīng)用領(lǐng)域中的HLC板，是勢于剝離強度越來越高的趨向（例如：B5GInfrastructure中的HLC對采用的剝離強度，2021年為0.5 N/mm，2023年為0.6 N/mm，2025年要達到0.8 N/mm）。而HDI板，則是對剝離強度要求趨于“走低”（例如：HPC、B5G-Infrastructure中HDI對采用的銅箔剝離強度，2021年為0.8 N/mm，2023年為0.7 N/mm，2025年要達到0.6 N/mm）。

筆者認(rèn)為：這種對剝離強度的各應(yīng)用領(lǐng)域存在的不同需求趨勢上的差異，是與HLC、HDI類基板對銅箔的其他性能要求的側(cè)重點有關(guān)。同時，有的終端產(chǎn)品在PCB設(shè)計中，還要考慮低成本性制造的因素。

（未完待續(xù)）